生物発光で複数マウスの脳活動を同時にライブ観察

私たちの脳の中には、１０００億個以上の神経細胞が存在し、それらが複雑なネットワークを形成しています。神経細胞同士は、互いに電気シグナルを介して情報の受け渡しを行っており、その正確な情報処理が、認知や行動をつかさどる脳機能の成立に重要です。モデル動物を用いた実験において、この電気的活動はこれまで電極や蛍光イメージングを用いて計測されてきましたが、計測のために電極・ファイバーを脳に挿入し、さらにケーブルをつないで記録装置へと接続する必要がありました。そのため、特に複数動物の同時計測においては、ケーブルが絡まってしまい計測そのものが行えないといった問題がありました。一方、特に社会性行動などの精神疾患関連の研究分野では、ケーブルによるストレスが問題視され、ケーブルを用いないワイヤレス計測手法の必要性が以前より議論されています。また複数動物におけるコミュニケーション時の脳活動同時計測はこれまで実現できておらず、重要な発見をもたらし得ると考えられます。

永井教授らの研究グループはこれまで、ホタルの光に代表される生物発光たんぱく質を用いたイメージング（生物発光イメージング）に着目し、研究を進めてきました。生物発光イメージングは、動物個体からの発光シグナルをワイヤレスに検出することが可能です。近年、遺伝子組み換え技術により生物発光たんぱく質を改変することで、生体内の現象を可視化することができるさまざまなたんぱく質センサーの開発が進められています。

今回、大阪大学 産業科学研究所の永井 健治　教授、稲垣 成矩　日本学術振興会　特別研究員（当時）、揚妻 正和　科学技術振興機構　さきがけ研究員（当時）、東北大学の大原 慎也　助教、飯島 敏夫　名誉教授、理化学研究所 光量子工学研究センターの横田 秀夫　チームリーダーらの共同研究グループは、ＬＯＴＵＳ－Ｖを用いて、自由行動中の動物の脳活動をワイヤレスに検出可能な新規脳活動計測法を開発しました。この計測法では、まずアデノ随伴ウイルス^注４）を介してＬＯＴＵＳ－Ｖを脳内の観察したい領域の神経細胞にのみ導入しておきます。そして発光基質^注５）を含む液を脳内に浸透させることによって、ＬＯＴＵＳ－Ｖは平均で３時間（最長７時間）光を発するようになり、観察領域の電気的活動の変化に伴って、その発光色も変化します。原理的には、夜にホタルの光を撮影することと同じであり、動物の行動に伴う発光色の変化を、暗箱内の離れた場所に設置した通常の研究用ＣＣＤカメラにより計測することで、従来の計測手法よりも簡便に自由活動中のマウスから脳活動計測が行えます。ワイヤレスな観察であるため、ケーブルにより動物行動が制限されることも起こらず、複数動物同時の観察も可能であることを示すことができました。さらに、このＬＯＴＵＳ－Ｖを用いた観察では、発光「色」の変化を測定するため、従来の発光の強度を測定するような手法と比べて、動くサンプルからの正確な計測にも非常に有利であることが実際の観察データから証明できました。

以前にも発光によるマウスからのシグナルの検出に関する報告はありますが、このように正確でかつミリ秒単位でダイナミックに変化する脳活動の検出に成功したのは今回が世界初となります。そして実際に、共同研究グループはこの計測手法を用いることにより、マウスが互いに接触する際に一次視覚野と呼ばれる脳部位の神経活動が優位に上昇することを、世界で初めて発見しました。

今回、このワイヤレス脳活動計測法を用いることで、マウス接触時における新たな脳機能の発見につながりました。この結果は、今回開発された計測法が、今後も未知の脳機能を発見する手段として有用であることを示しています。そして、これまで研究が困難であった、複数動物間のコミュニケーションなどの社会性行動をつかさどる脳機能の解明、そして自閉症スペクトラム・対人恐怖症・注意欠陥多動性障害などといった関連する精神疾患の研究・治療などへの貢献が期待されます。

人間が社会の中で生きていくためには、他人と絶えず関わり合う必要があります。しかしながら、他人と上手くコミュニケーションがとれない対人恐怖症や自閉症スペクトラムといった障害を抱えている人も多く存在します。ワイヤレス脳活動計測法は、動物の社会性行動をつかさどる脳機能を理解するために広く用いられ、社会性障害の発生メカニズムの解明や、治療薬の開発・スクリーニングが進むことが期待されます。

ワイヤレス計測法は、動物集団における個体の脳活動計測に優れています。集団の中で、それぞれの個体がどのように考え、行動するのか、その基となる脳機能はどのようなものなのか理解するために必要不可欠なツールになるものと考えております。